空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法、系统及介质

本发明涉及空间在轨服务，尤其涉及一种空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法、系统及介质。

背景技术：

1、随着人类对空间技术和太空探索日益增加的发展需求，今后的空间任务将会面临越来越多的在轨服务任务及由空间机器人完成的在轨操作任务。未来的空间在轨服务任务将面临诸如轨道垃圾、失效卫星等等愈加复杂的非合作对象，对它们进行抓捕、清理、修复可以有效维护地球轨道安全，提高在轨航天器寿命，获得巨大的社会、经济效益，因此具有重要的研究意义。

2、现有的抓捕控制方法主要采用机械臂进行抓捕，整个抓捕过程可分解为四个主要阶段：第一阶段为观察和计划阶段，即获取目标卫星的运动模式和物理信息并以此进行机械臂的轨迹规划；第二阶段为逼近目标阶段，即控制机械臂的末端执行器按照计划的抓捕位姿轨迹移动，并准备进行抓捕动作；第三阶段为实际抓取阶段，即机械手开始接触目标物直到完全抓住及锁紧目标物；第四阶段为捕获后系统稳定姿态及运动阶段，在此阶段对抓捕的目标物与服务星作为同一系统进行运动稳定。

3、然而，实际抓取阶段中，由于机械手需要与目标物体开始接触直到最后捕获锁紧，是最具风险也是最难控制的操作阶段，一旦控制不利，轻则抓不住目标，重则损坏抓捕接口硬件、碰飞目标物、甚至造成服务星失控。因此，如何确保服务星系统在稳定的前提下使机械臂成功完成非合作目标的抓捕过程，是目前业界亟待解决的重要课题。

技术实现思路

1、本发明提供一种空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法、系统及介质，用以解决现有技术中机械臂抓捕过程难以控制的缺陷，实现稳定的非合作目标的抓捕。

2、本发明提供一种空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法，包括以下步骤：

3、根据在轨非合作目标的空间位置，建立抓捕系统模型，所述抓捕系统模型用于描述末端姿态角与中间关节转角的数值关系；

4、根据抓捕系统模型，使用运动分解控制器进行求解，得到末端姿态角；

5、根据末端姿态角和中间关节转角，确定空间机器人的控制参数；

6、根据控制参数，控制空间机器人进行目标抓捕。

7、根据本发明提供的空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法，根据在轨非合作目标的空间位置，建立抓捕系统模型，包括以下步骤：

8、构建d-h参数表，得到系列齐次变换矩阵，所述系列齐次变换矩阵用于描述空间机器人的相邻的关节空间坐标的变换关系；

9、根据在轨非合作目标的空间位置，确定期望末端位姿；

10、根据期望末端位姿和系列齐次变换矩阵，求解末端姿态角与中间关节转角的数值关系，得到抓捕系统模型。

11、根据本发明提供的空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法，根据抓捕系统模型，使用运动分解控制器进行求解，得到末端姿态角，包括以下步骤：

12、确定控制关系模型，所述控制关系模型用于描述运动分解控制器参数和末端姿态角的数值关系；

13、构建基于目标的代价函数；

14、使用基于目标的代价函数约束控制关系模型，求解控制关系模型最优化问题，得到末端姿态角。

15、根据本发明提供的空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法，所述基于目标的代价函数，其表达式为：

16、

17、其中，为代价函数，为中间关节转角，为当前中间关节转角，为末端姿态角，为当前末端姿态角，为中间关节对应的权值矢量，为权重项。

18、根据本发明提供的空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法，根据末端姿态角和中间关节转角，确定空间机器人的控制参数，包括以下步骤：

19、根据末端姿态角和中间关节转角，确定空间机器人系统的阻抗特性函数；

20、根据阻抗特性函数，确定空间机器人的控制参数。

21、本发明还提供一种一种空间机器人在轨非合作目标抓捕系统，包括机械臂和控制单元，所述机械臂包括多个转轴，所述控制单元用于执行根据本发明提供的空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法。

22、本发明还提供一种空间机器人在轨非合作目标抓捕控制装置，包括：

23、抓捕系统模型模块，用于根据在轨非合作目标的空间位置，建立抓捕系统模型，所述抓捕系统模型用于描述末端姿态角与中间关节转角的数值关系；

24、控制律设计模块，用于根据抓捕系统模型，使用运动分解控制器进行求解，得到末端姿态角；

25、控制参数整定模块，用于根据末端姿态角和中间关节转角，确定空间机器人的控制参数；

26、抓捕模块，用于根据控制参数，控制空间机器人进行目标抓捕。

27、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法。

28、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法。

29、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法。

30、本发明提供的空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法、系统及介质，通过对空间机器人为操作主体的在轨抓捕系统与抓捕接触过程进行建模，之后，在系统建模基础上进行了混合运动分解控制器的求解过程以实现良好跟踪的同时增加末端的期望柔顺性，确保服务星系统在稳定的前提下使机械臂成功完成抓捕过程。

技术特征：

1.一种空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法，其特征在于，根据在轨非合作目标的空间位置，建立抓捕系统模型，包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法，其特征在于，根据抓捕系统模型，使用运动分解控制器进行求解，得到末端姿态角，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法，其特征在于，所述基于目标的代价函数，其表达式为：

5.根据权利要求1所述的空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法，其特征在于，根据末端姿态角和中间关节转角，确定空间机器人的控制参数，包括以下步骤：

6.一种空间机器人在轨非合作目标抓捕系统，其特征在于，包括机械臂和控制单元，所述机械臂包括多个转轴，所述控制单元用于执行根据权利要求1-5任一项所述空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法。

7.一种空间机器人在轨非合作目标抓捕控制装置，其特征在于，包括：

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任一项所述空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法。

技术总结本发明涉及空间在轨服务技术领域，尤其涉及一种空间机器人在轨非合作目标抓捕控制方法、系统及介质。本发明通过对空间机器人为操作主体的在轨抓捕系统与抓捕接触过程进行建模，之后，在系统建模基础上进行了混合运动分解控制器的求解过程以实现良好跟踪的同时增加末端的期望柔顺性，确保服务星系统在稳定的前提下使机械臂成功完成抓捕过程。技术研发人员：牟方厉,樊子德,姜川傲,刘晓暄,葛蕴萍,王磊,李新明,赵新昱受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/18